CN103979483B - 制造包括至少两个不同的功能性高度的一体式微机械构件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种制造包括至少两个不同的功能性高度的一体式微机械构件（31，41，61，91）的方法。根据本发明，所述方法（1）包括在单个高度上的LIGA工艺以及对直接在衬底（2）上的LIGA沉积物进行机加工的工艺。
Description
技术领域
本发明涉及一种制造包括至少两个不同的功能性高度（functional level）的一体式微机械构件的方法。
背景技术
利用连续的LIGA类型工艺——即，通过包括具有结构的树脂模具和电铸沉积在该模具的空腔内的金属的堆叠层——形成具有多个不同的功能性高度的金属构件是已知的。
然而，因为功能性高度必须适当地以彼此为参照，所以难以执行用于形成多个功能性高度的这些连续步骤。此外，清楚的是，与在单个高度上的两次电铸沉积相比，这个困难涉及更高的成本。
发明内容
本发明的目的是，通过提出制造包括至少两个不同的功能性高度的一体式微机械构件的替代方法来克服前述全部或部分缺陷，该方法执行起来较不昂贵。
本发明因此涉及一种制造包括至少两个不同的功能性高度的一体式微机械构件的方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：
a）形成硅衬底，该硅衬底的顶表面是导电的；
b）利用光敏树脂构造模具以形成腔，所述腔的基部由所述导电的顶表面形成；
c）通过电铸（galvanoplasty）填充所述模具的腔，以形成金属部件；
d）选择性地对所述金属部件的一部分进行机加工，以形成具有至少两个不同的功能性高度的一体式微机械构件；
e）将所述微机械构件从所述硅衬底和所述光敏树脂释放出来。
显然，根据本发明有利地，每个具有至少两个不同的功能性高度的一体式微机械构件由在特有的模型中通过LIGA工艺形成并然后直接在衬底上机加工的金属部件形成，以便利用每个金属部件在衬底上精确定位的优点。
结果，外部尺寸和可能地内部尺寸由于LIGA工艺而保持高精度，并且一体式微机械构件的其余部分享有比LIGA工艺低的机加工精度，从而节约了制造成本。因此得到了包括至少两个不同的功能性高度的一体式微机械构件，其更容易制造并且同时保持了非常高的精度的外部部分和可能地内部部分。
根据本发明的其它有利特征：
-通过对所述硅衬底掺杂和/或通过将导电层沉积在所述硅衬底上而使所述顶表面导电；
-所述硅衬底的厚度介于0.3mm和1mm之间；
-步骤b）包括下述阶段：f）将光敏树脂层沉积在所述硅衬底的导电的顶表面上；g）选择性地照射所述光敏树脂的一部分；h）使所述光敏树脂显影（develop）以构造所述模具；
-所述金属部件由镍磷基形成，例如NiP或NiP12；
-所述方法在所述步骤c）和所述步骤d）之间包括下述步骤：i）通过研磨（lapping）将所述模具和所述金属部件整平；
-所述方法在所述步骤e）中包括下述阶段：j）移除所述光敏树脂；k）移除所述硅衬底；
-所述方法在所述阶段j）和所述阶段k）之间还包括下述阶段：l）将涂层沉积在微机械构件-衬底组件上；
-通过物理或化学气相沉积或电铸实现所述阶段l）；
-在同一衬底上形成多个微机械构件。
另外，本发明涉及一种钟表，其特征在于，所述钟表包括根据前述变型中的任一个的包括至少两个不同的功能性高度的一体式微机械构件。
附图说明
从下面参考附图经由非限制性示例给出的描述中可以清楚地发现其它特征和优点，其中：
-图1至5是根据本发明第一实施例的方法的连续步骤的图；
-图6和图7是根据本发明第二实施例的方法的最终步骤的图；
-图8至10是使用根据本发明的第一变型的方法电铸且然后机加工而成的金属部件的图；
-图11至13是使用根据本发明的第二变型的方法电铸且然后机加工且然后组装而成的金属部件的图；
-图14至16是使用根据本发明的第三变型的方法电铸且然后机加工且然后组装而成的金属部件的图；
-图17是根据本发明的方法的框图。
具体实施方式
本发明的目的是，提出一种制造包括至少两个不同的功能性高度的一体式微机械构件的方法，该方法实施起来较不昂贵。本发明的另一目的是，根据这种方法制造微机械构件的全部或一部分。微机械构件优选地用于安装于钟表内。当然，还可以设想将本发明应用在其它领域中，例如，尤其是航空工业或汽车工业领域中。
如图17所示，本发明涉及制造包括至少两个功能性高度的一体式微机械构件31、41、61、91的方法1。
根据方法1，如图1所示，第一步骤3用于形成硅衬底2，该硅衬底的顶表面4是导电的。优选地，通过对硅衬底2掺杂和/或通过将导电层沉积在硅衬底2上而使顶表面4导电。
在任何情况下，后续的电铸沉积物尽可能牢固地附着在衬底2上都是很重要的。实际上，金属部件21、51、81极牢固地固定至顶表面4和附带地固定至衬底2对于步骤9而言是关键的。
根据本发明优选地，硅衬底2的厚度介于0.3mm和1mm之间。另外，如果使用导电层，则该导电层将优选是金基的，即，由纯金或其合金制成的。最后，可以例如通过物理或化学气相沉积或任何其它沉积方法来沉积所述导电层。
方法1接下来的是如图2所示的第二步骤5，第二步骤5用于由光敏树脂6构造模具以形成腔8，该腔的基部由衬底2的导电的顶表面4形成。
显然，图2只是简化的图，可以构造很复杂的形状。因此，可以在步骤5中在树脂6内构造出不一定具有相同形状的多个腔8，从而可以在同一衬底2上形成多个微机械构件31、41、61、91。
步骤5优选包括三个阶段。步骤5包括将光敏树脂层6沉积在衬底2的导电的顶表面4上的第一阶段。这个阶段可以通过旋转涂覆或超声喷射获得。第二阶段用于选择性地照射光敏树脂的一部分。因此，显然，取决于光敏树脂的属性，即，取决于树脂是正性或负性的，所述照射将集中在所需要的将来的腔8上或者集中在除了所需要的将来的腔8以外的部分上。
最后，步骤5以第三阶段终止，第三阶段用于使被选择性地照射的光敏树脂6显影，以构造出模具，即，使位于腔8之间的剩余光敏树脂6硬化。该第三阶段通常通过用于形成腔8的化学蚀刻以及随后的用于使任何仍存在的树脂硬化的热处理获得。
方法1接下来的是如图3所示的第三步骤7，第三步骤7用于通过电铸填充模具的腔8以形成金属部件21、51、81。如上面解释的，金属部件21、51、81在投影中具有相同的模型。因此，显然，LIGA工艺不具有任何额外的执行困难，例如，在更高高度上形成其它功能性模型。
根据本发明有利地，由于步骤5的非常精确的光刻法，方法1可以制造出具有高精度的外部尺寸和可能地内部尺寸的金属部件21、51、81，所述尺寸能够符合钟表制造领域内的微机械构件所要求的极高的公差。“内部尺寸”是指金属部件21、51、81中的开口/或孔可以在步骤7中直接由嵌入在腔8中的具有结构的树脂6的任何部分形成。
为了实施制造用于手表制作的微机械构件31、41、61、91的方法，优选使用在摩擦学上有利于与红宝石、钢或黄铜部件接触的材料。此外，需要对磁场的敏感性低。最后，为了有助于步骤9，不是太硬的材料是优选的。这样，考虑到上述约束，已经发现由镍和磷形成的合金（NiP）且尤其是磷的比例基本上等于12%的这种类型的合金（NiP12）尤其适合于在步骤7中填充腔8。
方法1接下来的是如图4所示的步骤9，步骤9用于选择性地机加工金属部件21、51、81的一部分，以形成具有至少两个不同的功能性高度的微机械构件31、41、61、91。如上所述，然后改变在投影中具有相同的轮廓的金属部件21、51、81的厚度，以形成在多个高度上的至少两个功能性模型。因此获得了所需要的微机械构件31、41、51、91，而不需要通过连续的LIGA工艺形成多个堆叠的功能性高度。
因此，每个金属部件21、51、81牢固附着至衬底2的顶表面4的重要性是显然的。实际上，在步骤9中的机加工过程中，每个金属部件21、51、81都将经受大的应力。因此，如果附着不充分，则方法1就会丧失将每个金属部件21、51、81精确定位在衬底2上的优点，或者可能甚至将金属部件21、51、81剪切至使它们与衬底2分离的程度。
相反，在牢固附着的情况下，由于每个金属部件21、51、81在衬底2上的精确定位，所以可以在步骤9中利用可以编程为具有精确尺寸的自动化机器来加工仍在衬底2上的每个金属部件21、51、81。需要注意的是，尽管步骤9用于对每个金属部件21、51、81进行机加工，但是也可以通过由所用工具或者待移除的体积所引起的应力对具有结构的树脂6的一部分进行机加工，如在图4中可见的空白空间所示。
最后，方法1结束于如图5所示的步骤11，步骤11用于将微机械构件31、41、61、91从衬底2和光敏树脂6释放出来，如图5所示。因此，在第一阶段12，步骤11用于移除光敏树脂6，然后在第二阶段14中移除衬底2。可以例如通过等离子蚀刻实现阶段12，而优选通过化学蚀刻实现阶段14。以优选的方式，当导电层用于形成导电的顶表面4时，这个层也将在阶段14中被移除并且可能通过选择性的化学蚀刻而恢复。
当然，本发明不限于示出的例子，而是能具有对于本领域技术人员而言显而易见的各种变型和改变。尤其，方法1可以包括介于步骤7和步骤9之间的可选步骤10，该步骤10用于通过研磨来整平金属部件21、51、81和由光敏树脂6形成的模具。可能需要这个可选步骤，以确保微机械构件31、41、61、91的尺寸，即，保证模具被完全填充。
还可以设想，利用多个金属部件21、51、81存在于同一衬底2上来给它们涂覆预定的层。这样，方法1可以包括如图6所示的介于阶段12和阶段14之间的可选阶段16，该可选阶段16用于将涂层13沉积在微机械构件31、41、61、91-衬底2组件上。这个可选阶段16可以例如通过物理或化学气相沉积、电铸或任何其它类型的沉积来实现。
在阶段14结束时，因而得到了部分地覆盖有层13的微机械构件31、41、61、91，如图7所示。优选地，层13用于改善例如由碳的同素异形体、例如石墨或类金刚石形成的微机械构件31、41、61、91的摩擦性能。然而，该层还可以具有其它功能，例如，改变微机械构件31、41、61、91的颜色或硬度。
示例性的钟表应用在图8至16中示出的三个变型中示出。图8至10示出的第一变型示出在方法1的步骤7中得到的金属部件21。所述部件大致呈现为具有包括中心孔26的双齿圈22、24的星形件。在方法1的步骤11结束时，因而可以得到呈现为图9中示出的擒纵轮31形式的或图10中示出的擒纵轮41形式的微机械构件，所述两种微机械构件都是一体式的且包括可以涂覆有层13或未涂覆有层13的至少两个不同的功能性高度。
因此，在图9的情况中，金属部件21的八个臂33已经被机加工成每个臂的端部形成处于较低高度的齿22。金属部件21的其余部分保持不变，尤其是孔26和八个臂35，所述臂35的每个端部形成处于较低高度和处于较高高度的第二齿24。
可替代地，在图10的情况中，金属部件21的八个臂43已经被机加工成每个臂的端部形成处于较低高度的齿22。同样地，环绕孔26的区域已经被机加工成使得孔26仅存在于较低高度中。最后，八个臂45和较高高度的一部分已经被机加工成使得仅保留臂45的端部，同时第二齿24保持处于较低高度和较高高度。
在图11至13中示出的第二变型示出在方法1的步骤7中得到的金属部件51。部件51大体上呈现为H形部件，该H形部件具有两个通过横向部分57彼此连接的平行部分53、55。如图11所示，横向部分57包括中心部分56，该中心部分的截面比所述横向部分的其余部分更向外张开。
在方法1的步骤11结束时，因而可以得到呈现为图12中示出的叉61的形式的微机械构件，该微机械构件是一体式的且包括可以涂覆有层13或未涂覆有层13的至少两个不同的功能性高度。因此，金属部件51在两个平行部分53、55上被机加工至两个深度——即，形成三个功能性高度——并且在横向部分57的非向外张开部分上被机加工至单个深度。
在图12的例子中，叉61因此仅包括处于较低高度的整个平行部分53、55，以形成两个角状部62、64。中间高度仅部分地包括平行部分53、55以及横向部分57的未向外张开的部分，以形成肩部63和65。最后，仅金属部件51的横向部分57的中心部分56被保存，以仅在顶部高度中形成柱。
如在图13中所见，叉61可以然后通过将中心柱部件56压入到杆73的孔76中而被安装，以形成擒纵叉71。可以通过LIGA工艺获得具有一体的叉头钉78的杆73。除了叉61以外，杆73可以设置有擒纵叉轴79以及在杆的臂72、74上的擒纵叉瓦75、77。显然，根据本发明有利的是，也可以利用本发明的方法1得到擒纵叉71的全部或部分。例如，擒纵叉瓦75和77、杆73、叉头钉78和孔76可以是一体式的并利用本发明的方法1获得。
在图14至16中示出的第三变型示出在方法1的步骤7中得到的金属部件81。部件81大体上呈现为U形部件，该U形部件具有两个通过基部87彼此连接的平行部分83、85。如图14所示，基部比平行部分厚，以形成基本上十字形的开口86。
在方法1的步骤11结束时，因而可以得到呈现为图15中示出的叉91形式的微机械构件，所述微机械构件是一体式的且包括可以涂覆有层13或未涂覆有层13的至少两个不同的功能性高度。因此，金属部件81在两个平行部分83、85上被机加工至单个深度，并且在基部87上被机加工至两个深度，即，形成三个功能性高度。
在图15的例子中，叉91因此仅包括处于较低高度的整个平行部分83、85，以形成两个角状部92、94。中间高度仅部分地包括基部87，形成藉由肩部95而收缩的柱状件93，以形成顶部高度。最后，所述收缩用于释放出处于较高高度的开口86并且形成四个柱96、97、98、99。
如在图15中所见，叉91可以然后通过将柱96、97、98、99压入到杆103的孔106中而被安装，以便形成擒纵叉101。可以通过LIGA工艺获得具有一体的叉头钉108的杆103。除了叉91以外，同在第二变型中一样，杆103还可以设置有擒纵叉轴以及在杆的臂102、104上的擒纵叉瓦。显然，根据本发明有利的是，也可以利用本发明的方法1得到擒纵叉101的全部或部分。例如，擒纵叉瓦、杆103、叉头钉108和孔106可以是一体式的并利用本发明的方法1获得。
结果，根据本发明有利的是，外部尺寸22、24、53、55、56、83、85和可能地内部尺寸26、86由于LIGA工艺而保持高精度，并且一体式微机械构件31、41、61、91的其余部分享有机加工精度以节约制造成本。因此得到了包括至少两个不同的功能性高度的一体式微机械构件31、41、61、91，其更容易制造并且同时保持高精度的外部部分22、24、53、55、56、83、85和可能地内部部分26、86。
当然，本发明不限于示出的例子，而是能具有对于本领域技术人员而言显而易见的多种变型和改变。尤其是，在钟表制造领域中，微机械构件31、41、61、91决不限于轮副或擒纵叉的全部或部分。可以设想其它钟表部件，尤其是桥夹板、机板或摆轮。
此外，如上所述，还可以设想将本发明应用至除了钟表制造之外的其它领域，例如航空工业或汽车工业。
Claims (11)
1.一种制造包括至少两个不同的功能性高度的一体式微机械构件（31，41，61，91）的方法（1），其特征在于，该方法包括下述步骤：
a）形成硅衬底（2），该硅衬底的顶表面（4）是导电的；
b）利用光敏树脂（6）构造模具以形成腔（8），所述腔的基部由所述导电的顶表面（4）形成；
c）通过电铸填充所述模具的腔（8），以形成金属部件（21，51，81）；
d）选择性地对所述金属部件（21，51，81）的一部分进行机加工，以形成具有至少两个不同的功能性高度的一体式微机械构件（31，41，61，91）；
e）将所述微机械构件（31，41，61，91）从所述硅衬底（2）和所述光敏树脂（6）释放出来。
2.根据权利要求1所述的方法（1），其特征在于，通过对所述硅衬底（2）掺杂和/或通过将导电层沉积在所述硅衬底（2）上而使所述顶表面（4）导电。
3.根据权利要求1所述的方法（1），其特征在于，所述硅衬底（2）的厚度介于0.3mm和1mm之间。
4.根据权利要求1所述的方法（1），其特征在于，所述步骤b）包括下述阶段：
f）将光敏树脂（6）层沉积在所述硅衬底（2）的导电的顶表面（4）上；
g）选择性地照射所述光敏树脂（6）的一部分；
h）使所述光敏树脂（6）显影以构造所述模具。
5.根据权利要求1所述的方法（1），其特征在于，所述金属部件（21，51，81）由镍磷基（NiP，NiP12）形成。
6.根据权利要求1所述的方法（1），其特征在于，所述方法在所述步骤c）和所述步骤d）之间包括下述步骤：
i）通过研磨将所述模具和所述金属部件（21，51，81）整平。
7.根据权利要求1所述的方法（1），其特征在于，所述方法（1）在所述步骤e）中包括下述阶段：
j）移除所述光敏树脂；
k）移除所述硅衬底；
并且所述方法（1）在所述阶段j）和所述阶段k）之间还包括下述阶段：
l）将涂层（13）沉积在微机械构件（31，41，61，91）-衬底（2）组件上。
8.根据权利要求7所述的方法（1），其特征在于，通过物理或化学气相沉积实现所述阶段l）。
9.根据权利要求7所述的方法（1），其特征在于，通过电铸实现所述阶段l）。
10.根据权利要求1所述的方法（1），其特征在于，在同一硅衬底（2）上形成多个微机械构件（31，41，61，91）。
11.一种钟表，其特征在于，所述钟表包括根据权利要求1至10中任一项所述的包括至少两个不同的功能性高度的一体式微机械构件（31，41，61，73，91，103）。
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